上海高研院在鹽溶液中菱形冰相的生長機制取得進展
文章來源:上海高等研究院 | 發(fā)布時間:2024-06-13 | 【打印】 【關(guān)閉】
通常而言,水在材料表面生成的冰相趨向于類似Ih冰相的六角結(jié)構(gòu),而諸如四方、五角、七角、八角等特殊結(jié)構(gòu)則表征了固體表面的晶格結(jié)構(gòu)對冰相生長的影響。近年來,隨著海水過濾與淡化、海洋船舶的抗凍與減阻、材料表面吸附與潤濕等實際應(yīng)用的需求發(fā)展,鹽溶液在固液界面的冰相生長受到國內(nèi)外研究者們越來越多的關(guān)注。但是,由于離子-水分子-固體表面之間存在復(fù)雜的相互作用,離子如何影響冰相生長一直是相關(guān)研究中的難題。
針對以上問題,中國科學院上海高等研究院上海光源科學中心陳濟舸副研究員團隊在受限條件下鹽溶液中菱形冰相的生長機制的研究工作中取得進展。該團隊通過第一性原理與經(jīng)典分子動力學模擬,從分子尺度上得到了兩類菱形冰相的形成條件,在統(tǒng)計物理框架下揭示了離子在固液界面的冰相生長中的重要影響。該研究成果以“Two Rhombic Ice Phases from Aqueous Salt Solutions under Graphene Confinement”為題,作為快報(Letter)發(fā)表在《物理評論E》(Physical Review E)上。

圖1:受限條件下的鹽溶液中形成的兩種菱形冰相。
陳濟舸長期從事納米流體的理論研究,在鹽溶液的結(jié)構(gòu)與動力學方面取得了一系列成果,提出離子的水合結(jié)構(gòu)在決定流體的局域粘度[1]、氣體吸附[2],分子點群 [3-5],擴散系數(shù)[6, 7]的重要作用。研究團隊發(fā)現(xiàn),受限條件下的冰相生長同樣依賴固體表面的晶格結(jié)構(gòu)[8],而離子-水分子-固體表面的共同作用則導(dǎo)致冰相生長出不同的特殊結(jié)構(gòu)[9]。如圖1所示,受限在石墨烯之間的鹽溶液,隨著離子濃度變化,水分子圍繞離子形成兩類菱形冰相。它們具有相同的菱形結(jié)構(gòu)與熱力學性質(zhì),但晶胞與石墨烯晶格存在不同的轉(zhuǎn)角,從而引起界面能和自由能的改變。該工作揭示了離子的水合結(jié)構(gòu)影響冰相生長的微觀機制。
該研究得到了上海市科委、中國科學院國際合作局、中國博士后研究計劃、上海電機學院學科建設(shè)項目、上海光源數(shù)據(jù)中心、上海超算等的幫助支持。
文章鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.109.L062103
